改性蒙脱土的制备及其在相变储能材料中的应用研究

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石蜡是一种常见且常用的相变材料,具有化学稳定性好、相变时体积变化量较小且价格便宜等优点,因而使用较广。但是石蜡是一级相变材料,在发生固-液相变时存在着液相的流动泄漏问题,特别是对于无机水合盐类相变材料还存在腐蚀性问题。层状蒙脱土可以通过层间改性,与有机物或超支化聚合物复合,制备有机-无机纳米复合材料。由于相变温度范围广,实用性强,这种复合材料在某种程度上可以克服石蜡作为相变材料存在的上述缺点。本文利用蒙脱土层间离子易被交换的特点,经有机物改性后,使石蜡嵌入到层状蒙脱土的层间,制备复合相变储能材料。本课题主要研究内容如下:(1)无机蒙脱土-石蜡复合相变储能材料的制备。设计四因素、三水平共九组正交实验,制备不同条件的无机蒙脱土-石蜡复合相变储能材料。由此制备的九组样品编号为I1I9,并以DSC在0℃至200℃的温度范围内循环吸热、放热的相变潜热大小以及扩散渗出圈法作为评价依据,得到的最优组合方案为:固体石蜡与液体石蜡的质量比为2:1;蒙脱土与石蜡的质量比为1.5:1;去离子水的量为45m L;蒙脱土的量为10g。通过X-射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)以及热失重(TG)对无机最优组合方案样品的结构和性能进行表征。结果表明蒙脱土的层间距没有明显扩大,蒙脱土颗粒间形成的搭接结构对石蜡的封装效果较差。(2)有机蒙脱土-石蜡复合相变储能材料的制备。设计四因素、三水平共九组正交实验,制备不同条件下的、经过十六烷基三甲基溴化铵等表面活性剂改性的有机蒙脱土-石蜡复合相变储能材料。由此制备的九组样品编号为O1O9,以DSC在0℃至200℃的温度范围内循环吸热、放热的相变潜热大小以及扩散渗出圈法作为评价依据,得到的最优组合方案为:固体石蜡与液体石蜡的质量比为2:1;蒙脱土与石蜡的质量比1:1;插层剂为十六烷基三甲基溴化铵;插层剂所含阳离子摩尔数与蒙脱土中可交换阳离子摩尔数的比值为1.5。通过XRD、FTIR、SEM以及TG等对无机最优组合方案样品的结构和性能进行表征。结果表明,蒙脱土层间距由1.502nm扩大到3.508nm,层间距扩大明显。(3)超支化蒙脱土-石蜡复合相变储能材料的制备。用氨基酸的酸性溶液作为插层剂对蒙脱土进行改性,使得蒙脱土片层间的阳离子被氨基酸分子取代。然后以甲醇为溶剂,由1,3-二氨基-2-丙醇与丙烯酸甲酯反应得到AB2型单体,用AB2单体与蒙脱土层间氨基酸分子的羧基反应得到超支化聚合物改性蒙脱土。将熔融的液态石蜡加入上述改性蒙脱土混合液中,即可制得无腐蚀性、可选择的有机相变材料。通过XRD、FTIR、SEM、核磁共振、激光飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)以及TG等测试手段对其结构和性能进行了表征。结果表明,蒙脱土层间距扩张明显,超支化蒙脱土起始热稳定性有所提高;复合材料在相变过程中的焓变值增大,储能效率得到提高。
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